（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的钻井多参数测量系统开发.pdf

学位论文数据集 i l l i l l li i t lii i t li l lliil y 1810 5 7 2 中图分类号 t p 2 7 7 学科分类号 5 1 0 8 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 7 6 密级公开 学位授予单位代码 l 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名郭富东学号2 0 0 1 0 0 0 4 7 6 检测技术与 获学位专生名称获学位专业代码 0 8 1 1 0 2 自动化装置 课题来源其他项目研究方向 智能检测 论文题目基于c a n 总线的钻井多参数测量系统开发 关键词钻井，c a n 总线，测量系统 论文答辩日期2 0 0 7 # - 6 月1 1 号 i 论文类型| 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师1刘淑敏副教授北京化工大学 楼宇自动化 指导教师2冯晓东讲师北京化工大学 智能检测 评阅人l 王建林教授北京化工大学测控技术 评阅人2 张朝晖 教授 北京科技大学测控技术 评阅人3 评阅人4 徽员会蛐王学伟教授北京化工大学 电气测量技术 答辩委员1王建林教授北京化工大学测控技术 答辩委员2周富强副教授北京航空航天大学光电工程 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开戈研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三擘科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) t 擘科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 统开发 本文首先分析了国内外的钻井监测系统的现状，明确了钻井参数测量 存在的问题以及发展的方向，然后针对目前油田钻井参数监测存在的问 题，设计了一种基于c a n 总线的钻井多参数监测系统。 整个监测系统主要对钻井生产施工中的各种工作参数进行测量和监 控，监测参数包括钻杆扭矩和转速，大钩负荷，绞车计数器，立管压力， 泵冲排量，泥浆池液位等。此外还设计了钻井系统的天车防撞及报警装置。 其中转盘扭矩、大钩载荷、钻杆温度三个参数采用直接测量，特别是可准 确地得到扭矩真实值，这是本课题的核心和创新之处。 钻杆转速的测量采用对射式红外光电开关来完成，在测量转速的同时 可以判别转动的方向。采用对射式红外光电开关来实现天车防撞系统，该 方案灵敏度高、实时性强，能有效防止游车运动时触碰天车另外采用接 近开关作为传感器来实现大钩高度和泵冲排量的测量。而立管压力和泥浆 池的液位，我们分别采用压力变送器和超声波变送器进行直接测量。而整 个系统的信号传输都基于c a n 现场总线技术，简化了系统连线，提高了 信号传输的可靠性和安全性。 实验结果证明，该系统能够及时监测钻井过程，降低事故发生率，节 约钻井成本，提高钻井效率，对于现场总线在钻井参数测量系统中的应用 具有很好的实际参考价值。 ， i 北京化工大学硕士学位论文 _ _ - - _ 一 关键词：钻井，c a n 总线，测量系统 摘要 t h ed e s i g no fm 哐a s u r i n gs y s t e mf o r 。 d r i l l i n gp ：久r a m e t e r sb a s e do nc a nb u s a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e sb o t hn a t i v ea n df o r e i g nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e mf o rd r i l l i n gp a r a m e t e r sf i r s t , i n d i c a t e sp r o b l e ma n dt h e d i r e c t i o no ft h ep r o g r e s so fm e a s u r i n gd r i l l i n gp a r a m e t e r s ，t h e nt h es u b j e c t i n v o l v e si ns o m ep r o b l e m st h a te x i s ti np a r a m e t e r sm o n i t o r i n gi nd r i l l i n gw e l l a s y s t e mb a s e do nc a n b u si sd e s i g n e dt om o n i t o rt h ed r i l l i n gp a r a m e t e r s v a r i o u sd r i l l i n gp a r a m e t e r s ，s u c h 舔t o r q u e ，r o t a r ys p e e d , l o a do fr o t a r y h o o k , p r e s s u r e o fv e r t i c a lp i p e , h e i g h to fp u m ps t r o k e , l e v e lo fm u ds u m p , a r e m e a s u r e di nt h em e a s u r i n gs y s t e m b e s i d e s ，o v e r h e a dt r a v e l l i n gc r a n e b u m p - s h i e l d e ds y s t e ma n da l a r md e v i c e s i sd e s i g n e d t o r q u eo ft u m p l a t e ，l o a d o fr o t a r yh o o ka n dt e m p e r a t u r e o fd r i l lp i p eb i t em e a s u r e dc o n t i g u o u s l y m p e e i a l l y , t h em e a s u r i n gs y s t e mc 嗣t nm e a s u r et h et o r q u et r u l y i ti sa l s ot h e c o r ea n dc r e a t i v ep l a c e so ft h i st o p i c r o t a r ys p e e do fd r i l lp i p e a r em e a s u r e db yc o r r e l a t i o np h o t o e l e c t r i c s w i t c h i tc a nd i s t i n g u i s ht h er o t a r yd i r e c t i o ni nm e a s u r i n gr o t a r ys p e e do f & i l l p i p e o v e r h e a d t r a v e l l i n g c r a n e b u m p - s h i e l d e ds y s t e m c o m et r u eb y c o r r e l a t i o np h o t o e l e c t r i cs w i t c hi ss e n s i t i v ea n de f f e c t i v e h e i g h to fr o t a r y m h o o ka n d p u m pd i s p l a c e m e n ta r em e a s u r e db yp r o x i m i t ys w i t c h e r e s s u r eo f v e r t i c a lp i p ei sm e a s u r e db yp r e s s u r et f a n s d u c 是r , a n dl e v e lo fm u d s u m pi s m e a s u r e db yu l t r a s o n i cw a r et r a n s d u c e r s i g n a lt r a n s m i s s i o nb a s e do nc a n b u sp r e d i g e s t e d s y s t e mc o n n e c t i o na n di m p r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dt h e s e c u r i t yo ft r a n s m i s s i o n 目录 第一章绪论。 目录 1 1 钻井参数监测系统研究现状1 1 1 1 钻井工程技术发展历史l 1 1 2 国外研究现状3 1 1 3 国内研究现状4 1 1 4 现代钻井技术发展趋势6 1 2c a n 总线技术简介7 1 3 本课题研究的意义8 1 4 本课题研究的主要内容。9 第二章测量系统的总体设计 2 1 多参数测量系统的总体方案设计n 2 2 转盘扭矩的测量1 2 2 2 1 扭矩概述1 2 2 2 2 扭矩测量方法1 2 2 2 3 转盘扭矩测量的意义1 4 2 2 4 扭矩传感器前端设计1 5 2 3 大钩载荷的测量。1 8 2 4 钻杆温度的测量1 9 2 5 钻杆转速的测量2 0 2 6 泵冲排量的测量2 2 2 7 大钩高度测量2 2 2 8 其他参数的测量2 3 2 8 1 立管压力的测量。2 3 2 8 2 泥浆池液位的测量。2 3 第三章测量系统硬件电路设计 3 1 扭矩信号调理模块2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 一 3 1 1 前端放大电路2 5 3 1 2 模拟信号放大电路2 6 3 1 3a d 转换硬件电路。2 7 3 2 微处理器电路。2 9 3 3c a n 通讯接口电路3 0 3 4 无线传输模块。3 3 3 5 电源模块3 5 3 6 钻杆转速测量模块。3 6 3 7 天车防撞报警模块3 7 第四章测量系统软件设计 4 1c a n 总线应用层通讯协议3 9 4 2c a n 总线接口软件设计4 3 4 2 1s j a l 0 0 0 的初始化4 4 4 2 2c a n 节点接收子程序4 5 4 2 3c a n 节点发送子程序4 7 第五章系统实验分析 4 9 5 1 扭矩载荷实验分析4 9 5 2c a n 总线通讯实验5 l 第六章结论与展望。 参考文献 附录 致谢 研究成果及发表的学术论文 作者简介 v i ! ；9 8 l 目录 c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n c o n t e n t s 1 1t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rd r i l l i n gp a r a m e t e r s 1 1 1 1b a c k g r o u n do f d r i l l i n gp r o j e c t 1 1 1 2o v e r s e a ss t a t u so f d r i l l i n gs y s t e m 3 1 1 3i n t e r n a ls t a t u so f d r i l l i n gs y s t e m 4 1 1 4d e v e l o p m e n to f m o d e md r i l l i n gt e c h n i q u e 6 1 2i n t r o d u c t i o no fc a nb u s 7 1 3s i g n i f i 洌t i o no ft h ep a p e r 8 1 4m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r 9 c h a p t ：e r2d e s i g no fm e a s u r i n gs y s t e m 1 l 2 1g e n e r a l p ! l i a n n i n g 0 f m e a s u r i n gs y s t e m 。，t ii 2 2m e a s u r i n gt o r q u eo ft u m p l a t e l2 1 2 2 2 2m e 绷i n gm e t h o do f t o e q u e 1 2 2 2 3s i g n i l f i c a t i o no f m e a s u r i n gr o t o rp l a t et o r q u e 1 4 2 2 4d e s i g no f t o r q u es e n s o r 1 5 2 3m e a s u r i n gl o a do fr o t a r yh o o k l8 2 4m e a s u r i n gt e m p e r a t u r eo fd r i l lp i p e _ 19 2 5m e a s u r i n gr o t a r ys p e e do f d r i l lp i p e 2 0 2 6m e a s u r i n gh e i g h to fp u m ps t r o k e 2 2 2 7m e a s u r i n gr o t a r yh o o k 一2 2 2 8m e a s u r i n go t h e rp a r a m e t e r s 2 3 2 8 1m e a s u r i n gp r e s s u r eo f v e r t i c a lp i p e 2 3 2 8 2m e a s m i n gl i q u i dl e v e lo f m u ds u m p 2 3 c h a p t e r 3d e s i g no fc i r c u i t 3 1m o d u l eo f d i s p o s i n gs i g n a l 2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 - - 一一 3 1 2a n a l o gs i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i t 3 1 3a dc o n v e r t o rc i r c u i t 2 7 3 3c a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 3 0 3 4m o d u l eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 3 3 3 5m o d u l eo f p o w e r 3 7m o d u l eo f c r a s h w o r t h ys w i t c h 。 c h a p t e r 4 d e s i g no fs o f t w a r e 。3 5 3 7 4 1 c a na p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 3 9 4 2d e s i g no fc a nb u si n t e r f a c e 4 ：； 4 2 1s j a l 0 0 0i n i t i a l i z a t i o ns u b p r o g r a m 4 4 4 2 2c a nn o d er e c e i v es u b p r o g r a m 4 5 4 2 3c a nn o d es e n ds u b p r o g r a m 4 7 c h a p t e r5e x p e r i m e n t a la n a l y s i s 5 1e x p e r i m e n t a la n a l y s i so f t o r q u ea n dl o a d 4 9 5 2e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fc a nb u sc o m m u n i c a t i o n 5 1 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n r e f e r e n c e a p p e n d i x t h a n k s 5 5 5 7 5 9 r e s e a r c ha n da e a d e m i c a lp a p e r a u t h o r 符号说明 符号说明 a c f ：a c c e p t a n c ef i l t e r ，验收滤波器 a c r ：a c c e p t a n c ec o d er e g i s t e r ，验收代码寄存器 a i r a c c e p t a n c em a s kr e g i s t e r ，验收屏蔽寄存器 b t l ：b i tt n n i n gl o g i c ，位时序逻辑 b t r ：b u st t m i n g r e g i s t e r ，总线定时寄存器 b s p ：b i ts t r e a mp r o c e s s o r ，位流处理器 a 蝌：c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网 c d r ：c l o c kd i v i s i o nr e g i s t e r ，时钟分频寄存器 e r e ：c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余校验 d d s ：随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术 d l c ：d a t a l o n gc o d e ，数据长度码 e m l ：e r r o r m a n a g e m e n tl o g i c ，错误管理逻辑 f e w d ：随钻地层评价 f i f o ：f i r s ti nf i r s to u t ，先入先出 g s t 地质导向技术 i d e ：i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ，标识码扩展位 l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，最低有效位 l w d ：随钻测井 m a c ：m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，介质访问控制 m s b ：m o s t s i g n i f i c a n tb i t ，最高有效位 m w d ：随钻测量 n c a p ：n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np i d c 髂s o r ，网络适配处理器 p c b ：p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板 r t r ：r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ，远程发送请求位 r x b r e c e i v eb u f f e r ，接收缓冲器 s t i m ：s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e 智能变送器接口 s w d ：随钻地震 盯：t r a n s m i tb u f f e r ，发送缓冲器 i x 时期：顿钻 岩石，使之 下遇到复杂 情况时，下入套管，而后再冲、再捞；直至钻达目的层，下入套管后完井。由上可见， 顿钻时期，破碎岩石和清除岩屑是明显的两个不同的工艺过程，当时人们还不懂得洗 井，是一个无仪表的时期，司钻本人靠耳听、目睹、嗅觉、感觉等进行直接监测钻井 情况：一切工作全凭经验判断，由于钻井效率极低，对付不了流砂层等，其不得不被 旋转钻井工艺所取代【i 】。 社会对石油的巨大需求使得石油工业得到了极大的发展，也使钻井工程得到了发 展，逐步形成了旋转钻井时期。其发展经历了八十多年的历史，从美国钻井工艺发展 过程来看，其问可分为四个发展阶段1 2 。 ( 1 ) 概念形成阶段( 1 9 0 0 - 1 9 2 0 年) 旋转钻井的原理启蒙于1 9 0 0 年，在美国的m p i n d l e t o p 地区，曾用顿钻打井，由 于流砂层的坍塌。井眼无法加深下去，无意间用搅混的泥浆灌入井眼，结果坍塌现象 明显减轻，使井得以加深下去。由此得到两个启发：乱粘土浑浊液，可以减轻坍塌现 象：b 浑浊液可以带出部分岩屑，从此开始把钻井和洗井两个工艺结合在一起。1 9 0 8 年，h u g h e s 公司开始研制旋转钻井用的钻头刮刀钻头。1 9 0 4 年至1 9 1 0 年间，哈里 波顿公司( h a l l i b u r t o n ) j f l ：始用水泥封固套管的工艺。1 9 1 4 年至1 9 1 6 年间，n a t i o n a ll e a d c o 开始研究泥浆。大体在1 9 2 0 年左右，形成了完整的旋转钻井概念。在此之间，由 于井斜造成事故，导致地下产权的纠纷；所以要求测井斜，于是1 9 2 0 年前后，产生 了第一个虹吸测斜仪。 ( 2 ) 缓慢发展阶段( 1 9 2 0 - 1 9 4 8 年) 这阶段的技术特征，是给钻机配备了较强的动力；研制出了各种类型的刮刀钻头 和牙轮钻头：改善了固井的工艺；有了专用的泥浆。在仪表方面( 1 9 2 5 - , 1 9 3 6 年间) ，一 系列的基础仪表陆续地研制出来，如美国马丁代克公司( m a r t i nd e c k e r c o ) 于1 9 3 0 年前后就拿出了用于现场的指重表( 1 9 2 6 年) 、泵压表、转速表等，直至今天，该公司 北京化工大学硕士学位论文 的钻井仪表在钻井界仍有相当的地位。此阶段由于只知道打井拿油，不重视钻井科学 的研究工作，在美国也延续了2 8 年的漫长时间。 ( 3 ) 科学化阶段( 1 9 4 8 - 1 9 6 8 年) 该阶段的主要技术是大力开展了钻井的科学研究工作这阶段的主要技术特征是 大力开展了钻井的科学研究工作这一阶段出现了9 项单项技术：喷射钻井技术、优 选参数钻井技术、平衡压力钻井技术、保护油气层技术、深井钻井技术、丛式钻井技 术、高效钻井技术、井控技术、洗井液技术【3 l 。 与此时期工艺发展需要相适应的钻井仪表从单一仪表发展成了成套仪表，将多种 参数的仪表汇集在一起，采用多笔记录，以备分析和作为下一口井设计的借鉴，如美 国m a r t i n d e c k e r 公司的八参数仪就属此例【4 】。 这个阶段的经济效益十分显著，二十年来，尽管每口井的总成本是逐年上升的( 二 十年间上长了1 4 ) ，但进尺成本是逐年下降的( 同时期下降了7 ) t 4 1 。 ( 4 ) 自动化阶段( 1 9 7 0 - 1 9 8 9 年) 本阶段的主要技术特征在于采用自动化钻机；采用液动、气动、自动闭锁、自动 维持压力、采用自动化的泥浆管理( 固相控制、压力控制) ；闭环计算机操作( 用计算 机控制执行机构的操作) ；钻井参数的全面控制( 主要的技术参数) ；全盘计划钻井( 统一 考虑钻井中每个细小工作，由开钻到完钻，按计划执行) 。与此阶段相适应的仪表已由 一般的现场式( 基地式) 仪表发展为全计算机控制的完整的仪表系统，它不但能提供理 想数据，还能将检测、记录到的数据进行分析或。思考一其测量的参数范围也不仅 限于工程参数，还包括一些气测参数。由以上讲的旋转钻井的四个发展阶段不难看出， 钻井工艺是朝着最优化和全盘计划的方向发展的；钻井设备是朝着闭环自动控制方向 发展；钻井仪表也由现场人员“耳目 朝着高层次的“参谋部 发展，同时也可以看出， 随着钻井工艺本身的发展，钻井仪表已不再是可有可无的助手，而是必须予以高度重 视的重要环节，是一直接关系到整个工艺是否能顺利向前发展的关键。 ( 5 ) 智能化阶段【5 棚 但随着9 0 年代石油工业的发展及各种高新技术的出现，人工智能技术逐渐被引 进到钻井行业，从而产生一个全新的概念：人工智能钻井，即运用最新最先进的人工 智能钻井技术与装备，为找到更多的油藏和提高油井产能服务，这就是广义的人工智 能钻井( 狭义的人工智能钻井是指钻井自动化或称全自动化钻井作业) 的含义。它几乎 包括石油科学的整个体系，从石油地质、物探、测井，到钻井、采油、油藏工程以及 机械、自动化、计算机等专业在线地联合起来，组成一个有机的整体协同作战。其主 要过程为：由地质和物探部门提出地质条件和油藏的物理特性描述，组成特定的人工 智能钻井专家系统，在先进的钻井测控技术支持下，利用当前较为成熟和正在发展的 s w ( m w d ，l w d ，s w d ，d d s ，g s t ，f e 、釉) 作为手段，结合导向钻井及井下 闭环控制技术，在钻进过程中实时地随钻随测控( 随钻测量各种参数，随钻测井，随 2 第一章绪论 钻地震) ，及时地把井眼周围及钻头前方的各种地质、地层、环境信息以及钻进状态 等数据采集进井下计算机，结合事先已知的地质勘探资料，进行智能判断，从而发现 目标油气藏，并精确确定其位置、大小、形态、厚度、及走向，以获得最大产能为目 标函数，优化各种工艺参数，自动钻进寻找最佳轨迹穿过油气层，完成钻进任务。并 给出初步的最佳采油方式和油藏描述的结果，以及实际的井眼轨迹和各段井眼状态。 而且钻进时就可以直接取得最接近实际情况的第一手资料，而这在过去是根本不可能 实现的。 1 1 2 国外研究现状【2 ，7 , 8 1 国外有很多专业从事钻井参数仪表研究、开发、生产的公司，其中代表国际水平 的主要是美国的马丁( m dt o t c o ) 公司、英国的瑞设( r i g s e r v ) 公司和加拿大的d a t a l o g 公司等。 加拿大d a t a l o g 公司2 0 0 0 年最新研制的钻井监测系统，该产品除能测量显示2 0 0 多个钻井参数外，还具有以下特点：以w m d o w s9 5 9 8 或w m d o w sn t 为操作平台， 采用客户服务器技术，可通过i n t e m e t 或m o d e m 进行远程实时监控和历史监控，采 用触摸屏，具有可自制的美观实用的用户界面，所有钻井数据可存贮到c d 光盘上， 系统易扩展，易安装。 “ 美国v a r c o 公司m dt o t c o 分公司2 0 0 0 年最新研制的钻井集成控制信息系统， 可测量显示基本的钻井参数，该系统以w m d o w sn t 为操作平台，可通过计算机局域 网交换信息，也可通过i n t e m e t i n t r a n e t 进行钻井信息的远程通信，系统采用液晶触摸 显示屏。 英国r i g s e r v 公司2 0 0 0 年最新研制的触摸屏自动钻井系统，该公司是世界上第1 个使用触摸屏的石油仪器公司，该系统可测量几乎所有与钻井过程有关的参数，采用 非接触性传感器，系统硬件紧凑、密封性好隗。 这些公司产品的共同特点是： ( 1 ) 传感器的安装简便实用，压力变送器的防腐防爆性能好，温度适应能力强 ( - 2 啦8 5 0 c ) ； ( 2 ) 显示表台箱体由于采用防腐性能优良的不锈钢因而工艺优良、外观漂亮； ( 3 ) 系统内核普遍采用先进的微电子技术； ( 4 ) 一般采用d o s 或w m d o w s9 5 9 8 或w m d o w sn t 平台，人机界面友好美观。 目前国外的钻井参数监测系统主要存在以下问题： ( 1 ) 不少系统仍以文件形式管理数据，基于主弗i i j d a q 数据源结构的系统还不 多； ( 2 ) 目前也还只有少数几家大公司的产品具有异地监视功能； 3 北京化工大学硕士学位论文 差异： ( 3 ) 界面为纯英文，井队技术人员和操作人员使用起来有相当难度； ( 4 ) 数据报表和数据显示较为固定，和我国钻井现场的实际需要和习惯有较大 ( 5 ) 价格昂贵。 1 1 3 国内研究现状 上海神开科技工程有限公司开发的钻井工程参数仪，由各种专用传感器、通讯串 口、数据处理单元、前台工控机、实时彩色打印机、防爆接线柜、数据处理软件等组 成，该仪器实现了表盘与数字显示的统一，可显示多种参数【2 j 。 荆鹏软件开发有限公司2 0 0 0 年最新开发的钻井数据采集系统，该系统采用 w i n i x ) w s 风格操作界面，服务器采用5 8 6 以上工控机，可通过计算机局域网连接 c r t 监视器，具有参数采集、动画显示、实时打印报表回放、参数异常报警、实时报 表、实时绘图等功能，数据管理采用文件管理方式。 山东煤田地质局开发的钻井参数监测系统，可实时自动检测和记录、显示孔深、 钻压等1 0 个钻进参数和泥浆密度、p h 值参数：所采集的数据自动生成文件名和回次序 号并存入硬盘，可对钻压等超限进行声光及文字报警，实时显示打印钻压、泥浆消耗 量动态参数变化曲线。 对于钻柱扭矩的实时在线直接测量是本项目的核心部分，也是本项目的特色和创 新之处。目前对钻柱扭矩的测量有地面和地下两种解决方案。 ( 1 ) 扭矩和钻压的地面测量解决方案 1 ) 惰轮式扭矩仪 该传感器适用于链条驱动的钻机上，安装在传动机构的链条上。它为惰轮式机械 液压传感器，主要由惰轮、摇臂、液压、立柱、底座等组成。惰轮是个外缠耐磨硬 橡胶的滚轮，装在摇臂的一段。摇臂的另一端由立柱支承在摇臂的中部安装着液缸， 液缸的活塞与摇臂相连，缸内充满液压油，并通过液压软管与显示表和记录机构连通。 通常将转盘扭矩传感器安装在转盘驱动链条紧边的中部，使惰轮既能自由转动，又受 到驱动链条给予的一定压力。当转盘上产生扭矩m 时，转盘驱动链条紧边上即产生 了与之相应的拉力t 。然后将拉力t 通过液缸活塞转化为相应的液体压力信号p 输出。 可通过对压力p 的测量间接测得m 。通过理论分析可得，钻杆上的扭矩m 为： m ：塑嘿p ( 1 1 ) 8 l c o s 竺 2 式中：，7 转盘的机械效率 4 第一章绪论 f 一转盘齿轮减速比 “ r 转盘链轮半径 i 一液压合力对摇臂的力臂 d - - 活塞直径 脚力对摇臂轴的力臂 0 链条夹角 由式( 1 ) 可看出，当转盘型号确定后，r ，i 为常量。待传感器选定后，d 即为 常量。转盘扭矩系统油路为一封闭系统，由于液体的不可压缩性，活塞行程很小，因 而，当传感器安装，调试完毕后，n 、i 、l 、0 均可视为常量。 r r r i d 2 尸：k ，k 为常量，故m = k p ，即m 与p 成正比例，因而可通过压力p 乩8 竺 2 来测量扭矩m 。 因为转盘扭矩传感器是一个通用件，一种型号的传感器可适用于多种类型的钻机， 而各种钻机、各种转盘的传动比i 和链轮半径p 都不相同，机械效率也不相同，尤其 是安装转盘传感器比较困难，很难保证安装理想状态。即便是同一只传感器，在同一 台钻机上安装，也很难保证每次安装、调试后0 角为常量。因而k 值不是一个固定不 变的常量，p 和m 没有固定的比例关系，故而转盘扭矩表上的读数并非真实的扭矩值。 它只反映了转盘扭矩的相对变化量，在目前实际中很多情况，钻井工作者最感兴趣的 是转盘扭矩的相对变化情况，因而利用这种传感器可满足一般工程技术要求，其使用 中的缺点是惰轮易磨损，造成传感器失效，寿命与可靠性差。如要实现精细优化钻井， 需要准确测量转盘的扭矩真实值，采用此种传感器，必须利用吊钳扭矩系统每次安装 好后进行在线标定，但一般精度很差，往往不能满足要求。 2 ) 电流式扭矩仪 该仪器仅适用于电动钻机的扭矩测量，其基本原理是首先假设电动钻机的扭矩与 驱动电机的工作电流成正比，然后利用成熟的霍尔电流传感器测量该电流的大小，用 电流的变化表示扭矩的相对变化，它不能给出扭矩的真实值。如要通过此法测量扭矩 的真实值，需要考虑驱动电机的特性，系统电源变化等因素。此外，它同惰轮式扭矩 仪一样，存在每次安装好后的在线标定问题。另外，很重要的一点是，目前我国决大 多数钻机为机械动力钻机，电动钻机很少，因此，电流式扭矩仪在目前和未来一段时 期内不适合我国钻井行业现状。 3 ) 其他扭矩仪 国内外从事该领域研究的技术人员还采用了多种其他测量方式测量钻矩，有：钻 机主轴贴应变片式；在水龙头上加齿轮传动，根据齿轮的反扭矩来测量扭矩；在转盘 5 北京化工大学硕士学位论文 侧面安装顶丝测力传感器等多种方法，但这些方法都与具体钻机类型密切相关，且目 前都未形成产品。 4 ) 钻压测量方法 目前广泛采用的钻压测量方法是通过液压机构和压力传感器测量大钩负荷，然后 再通过计算减去钻柱在泥浆中的重量计算出钻压。此法简单可靠，但由于钻柱的弯曲、 与井壁的摩擦等诸多因素的影响，测量结果有时与井下实际状况差别很大。 目前在地面井台上实现的扭矩和钻压测量方案，基本上都属于定性、相对和间接 测量方法，具有误差大和受钻机种类和型号影响的缺点，当钻柱出现弯曲或与井壁产 生摩擦时，尤其是在钻斜井和水平井时，测量结果与井下实际状况出入很大。因此， 人们陆续提出了各种地下解决方案。 ( 2 ) 钻压和扭矩的地下测量解决方案 地下测量解决方案具有直接、定量准确的特点，但由于地下高温、高压，环境恶 劣和仪器供电和信号传输的问题，实现难度很大。这方面的技术和仪器，如：采用泥 浆脉冲信号传输的随钻测量系统基本被国外公司所垄断，因而价格往往高的惊人，难 以推广，一般只用于水平井和科学探索井等高难井。对于常规钻井，国内急需一种具 有自主知识产权、价格合适的测量方法。测量钻压和扭矩的井下传感器大部分仍采用 单应变法测量，但对于井下环境，实现温度补偿，信号处理与传输存储是一个巨大挑 战。 1 1 4 现代钻井技术的发展趋势 ( 1 ) 向信息化、智能化方向发展 信息化钻井技术以m w d e 、l w d 、s w d 、f e w d 、g s t 、d d s 为主要特征。智 能化钻井技术是由井下导向工具、测试工具、作业控制三者组成的闭环钻井系统【埘。 1 9 9 0 年由数家大石油公司合作，历时5 a ，耗资1 0 0 0 万美元，成功开发了集成钻井系 统( d s ) 和集成钻井作业系统( i d o ) 井下闭环钻井发展阶段分为井下开环、井下半闭 环、井下全闭环、地面井下全闭环4 个阶段。 目前已投入商业运作的钻井系统有垂直钻井系统( v d s ) 、自动定向钻井系统 ( a d d ) 、自动导向钻井系统( a o s ) 、旋转导向钻井系统( s r d ) 、旋转闭环钻井系统 ( r c l s ) m , n c 2 ) 向多学科紧密结合提高油井产量和油田采收率方向发展 国外各石油公司都有自己的综合设计平台和软件。软件可融合地质模型、钻井模 型、采油油藏模型、成本和费用核算模型，以便考证水平井的有效性和经济性。我国 现在缺少此类模型【3 】。 。( 3 ) 向有效开采特殊油气藏方向发展钻井技术。 6 第一章绪论 美国2 0 世纪9 0 年代以前用水基钻井液+ 常规保护油气层技术钻直井和用油基钻 井液钻井( 成本高) ；9 0 年代以后普遍用欠平衡技术钻水平井，包括气体钻井、雾化钻 井、泡沫钻井、充气钻井等，方法选择需根据储集层特性进行选配。某致密气藏用常 规钻井液钻直井，平均日产量为3 0 万m 3 ，如用空气钻井，直井产量提高3 倍，水平 井产量提高1 0 倍。 近2 0 年来钻井技术的发展进程以信息化和智能化钻井为核心，全面提高了钻井 技术水平，使钻井技术由部分定量分析研究进入全面定量分析研究，从而发展了水平 井钻井技术、多分支井钻井技术和欠平衡压力钻井技术，使钻井手段、钻井任务、钻 井类型和钻井对象等方面都发生了巨大变化。钻井工程在石油工程中的作用和地位比 过去更为重要。 1 2c a h 总线技术简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 意为控制器局域网络，是目前比较流行的一种现 场总线，最早用于汽车内部检测部件与执行部件间的数据通信。由于本身的特点，其 应用范围已不再局限于汽车工业，而向过程控制、机械工业、纺织工业、机器人、数 控机床、医疗器械、智能建筑等领域发展【”】。c a n 已经形成国际标准，通信协议符合 i s 0 1 1 8 9 82 o a 和s d s ，并已经被公认为几种最有效的现场总线之一。c a n 总线目前主 要有两种技术规范：即c a n 2 0p a r ta 和c a n 2 0p a r tb l 1 4 j 。 b o s c h 公司推出c a n 协议后，世界上各大半导体器件生产厂商都推出了各种集成 有c a n 协议的产品。8 0 年代末i n t e l 公司率先研制出c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 ，随 后p h i l i p s 公司推出c a n 总线通信控制器8 2 c 2 5 0 ，9 0 年代p h i l i p s 公司又推出了集 a d p 删以及